ВИБРАЦИОННЫЙ БАШМАК ОБСАДНОЙ КОЛОННЫ Российский патент 1997 года по МПК E21B33/14 

Изобретение относится к области бурения и крепления нефтяных и газовых скважин, а именно, к инструментам и приспособлениям, применяемым при цементаже эксплуатационных и промежуточных технических колонн.

Известен башмак обсадной колонны, содержащий турбинный двигатель, вал и корпус которого на выходе образуют золотниковую пару (авт. свид. СССР N 362901, кл. E 21 B 17/14, 1970).

Наиболее близким техническим решением из известных является вибрационный башмак обсадной колонны, содержащий гидравлический двигатель, включающий статор, закрепленный на нижней части обсадной колонны и зафиксированный посредством осевых и радиальных опор относительно статора с дебалансом (авт. свид. СССР N 1544952, кл. E21B 33/14, 1988).

Однако указанные технические решения не обеспечивают достаточно мощного вибрационного воздействия на нижнюю часть обсадной колонны.

Изобретение направлено на решение задачи по повышению качества цементажа обсадных колонн. При использовании изобретения обеспечивается контакт вращающегося дебаланса со стенками скважины.

Для этого в вибрационном башмаке обсадной колонны, содержащем гидравлический двигатель, включающий статор, закрепленный на нижней части обсадной колонны, и зафиксированный посредством осевых радиальных опор относительно статора ротор с дебалансом, максимальный радиальный размер последнего больше радиуса наружной поверхности статора. Кроме того, дебаланс имеет, по крайней мере, одну лыску, на поверхность которой выходит канал, сообщающийся с внутренней полостью дебаланса.

Превышение максимального радиального размера дебаланса над радиусом наружной поверхности статора обеспечивают контакт дебаланса со стенкой скважины и гарантированные поперечные колебания низа обсадной колонны с амплитудой, равной удвоенной разности указанный радиусов.

Выход канала, сообщающегося с внутренней полостью дебаланса, на поверхность лыски обеспечивает безпрепятственный проход цементного раствора.

На фиг. 1 изображен общий вид вибрационного башмака обсадной колонны в продольном разрезе; на фиг. 2 ступень давления турбины гидравлического двигателя.

Вибрационный башмак содержит гидравлический двигатель. Корпус 1 статора двигателя крепится к нижней муфте 2 обсадной колонны (на чертеже не показана). Вал 3 ротора двигателя фиксируется в корпусе 1 статора с помощью осевой опоры 4 и радиальных опор 5.

Нижняя часть вала 3 присоединена к дебалансу 6, цилиндрический корпус которого имеет две лыски 7, вдоль которых проходит восходящий поток цементного раствора.

Плоскостные поверхности лысок параллельны плоскости чертежа. Главная ось обсадной колонны и корпуса 1 статора двигателя совпадают. максимальный радиальный размер R дебаланса 6 больше радиуса r наружной поверхности статора, т.е. его корпуса 1.

В валу 3 двигателя имеются два-три отверстия 7, которые сообщают внутреннюю полость 9 вала 3 с полостью рабочих органов 10 двигателя и внутренней полостью обсадной колонны. Полость 9 гидравлически связана с внутренней полостью 11 дебаланса 6 и через два, или несколько каналов 12, выходящих на поверхность лысок 7, сообщает внутреннюю полость 11 с пространством, располагающимся за дебалансом 6 (т.е. с кольцевым пространством скважины).

Рабочие органы 10 гидравлического двигателя имеют ряд особенностей, позволяющих им работать при прокачивании через них цементного раствора.

Возможны несколько вариантов осуществления рабочих органов 10 гидравлического двигателя, однако лучшим для работы на тяжелом цементном растворе является турбинный, т.к. у него отсутствует контакт между рабочими элементами статора и ротора, который является серьезным препятствием для успешного запуска такого двигателя.

Разнонаправленные лопатки 13 и 14 венцов рабочих элементов, соответственно, ротора и статора представляют собой один и тот же зеркально отраженный профиль. Углы входа " μ " и выхода " l " ротора и, соответственно, " a " и " b " статора равны между собой, или отличаются не более чем на 10^o.

Оптимальный угол выхода " b ", обеспечивающий максимально возможное значение КПД, равен 40-45^o. При этом оптимальное отношение осевой высоты лопаточного венца "h" к шагу "b" лопаток в лопаточном венце 0,38-0,5. Толщина лопаток " ⊘ " не должна превышать 0,25 осевой высоты и определяется технологией изготовления лопаточных венцов.

Данная турбина служит дополнительным турбулизатором цементного раствора (т. е. позволяет искусственно разжижить его, при продавливании в кольцевое пространство скважины).

Это обстоятельство также является фактором, способствующим более полному вытеснению глинистого раствора и смыванию глинистой корки со стенок скважины и из каверн и желобов.

Работа вибрационного башмака осуществляется следующим образом. Башмак закрепляется на нижней резьбе первой обсадной трубы, спускаемой в пробуренную скважину. Затем навинчиваются и спускаются в скважину остальные трубы. Причем спуск обсадной колонны ничем в своих остальных деталях не отличается от общепринятого.

После спуска колонны (допускается ее разгрузка на забой скважины с усилием не более 100 кН) производится обвязка ее оголовка с тампонажным манифольдом и начинается закачка цемента и его продавка, обеспечивающая необходимую высоту подъема в кольцевом пространстве скважины. Все это время дебаланс 6 вращается ротором гидравлического двигателя, а статор последнего вместе с присоединенной к нему эксплуатационной колонной перемещается относительно оси скважины с амплитудой, равной разности диаметров дебаланса 6 и корпуса 1 статора гидравлического двигателя. Частота этих перемещений равна частоте вращения головы-дебаланса, т.е. может достигать величин порядка 10-40 Гц.

Использование: в области бурения и крепления нефтяных и газовых скважин, а именно к инструментам и приспособлениям, применяемым при цементаже эксплуатационных и промежуточных технических колонн. Обеспечивает повышение качества цементажа обсадных колонн. Сущность изобретения: устройство содержит гидравлический двигатель. Он имеет статор, закрепленный на нижней части обсадной колонны, и ротор, зафиксированный в статоре. Ротор зафиксирован посредством осевых и радиальных опор. Ротор образует со статором полость рабочих органов. Он выполнен с дебалансом. Он закреплен на нижнем конце ротора гидравлического двигателя. Дебаланс выполнен, по меньшей мере, с одной лыской на наружной поверхности и каналом против лыски. Этот канал сообщает внутреннюю полость дебаланса с внешним пространством. Ротор выполнен тоже с внутренней полостью и с отверстиями. Они сообщают полость органов с внутренней полостью ротора и через нее с внутренней полостью дебаланса. 2 ил.

Вибрационный башмак обсадной колонны, содержащий гидравлический двигатель со статором, закрепленным на нижней части обсадной колонны, и ротором, зафиксированным в статоре посредством осевых и радиальных опор, образующим со статором полость рабочих органов и выполненным с дебалансом, отличающийся тем, что дебаланс закреплен на нижнем конце ротора гидравлического двигателя, при этом дебаланс выполнен по меньшей мере с одной лыской на наружной поверхности и каналом против лыски, сообщающим внутреннюю полость дебаланса с внешним пространством, а ротор выполнен тоже с внутренней полостью и отверстиями, сообщающими полость рабочих органов с внутренней полостью ротора и через нее с внутренней полостью дебаланса.